CN201387444Y - 指针式数字万用表 - Google Patents

Abstract

传统的指针式万用表均为磁电式模拟仪表，本实用新型公开了一种指针式数字万用表，该万用表采用单片机为核心控制器，可将被测量的物理量经A/D转换后直接转换成角位移量，通过微型步进电机驱动轴带动指针，在刻度盘上指示测量数据，该表能够测量交直流电压、电流、电阻、频率、温度、电容量、三极管β系数等多种物理量。所述万用表采用的步进电机是一种数字化运动器件，无漂移和积累误差，其指针转动轴可实现微步距平滑转动，指针转动速度0°～600°/秒可控。万用表外形上按人体工程学原理设计成上宽下窄流线形状，万用表上半部分(43)表盘较宽，便于观察测量刻度，万用表下半部分(42)较窄，适合手持操作。

Description

指针式数字万用表

技术领域

本实用新型涉及一种指针式数字万用表，主要应用于电子测量。

背景技术

万用表又叫多用表、复用表，是一种多功能、多量程的测量仪表，分为模拟指针式万用表与LED/LCD数字万用表两大类。指针式模拟万用表是利用灵敏的磁电式直流电流表(微安表头)作传动机构，当有微小电流通过表头时驱动指针指示测量结果，一般用于测量电流、电压、电阻等物理量。由于模拟万用表的指针输出指示方式更符合人们的日常观测习惯，测量时容易读取短周期内被测物理量的平均值和有效值，便于查看观测物理量的连续变化过程及其变化趋势，因此得到广泛的应用。例如，模拟指针式万用表可方便地通过指针的偏移检验电容器的充电过程和漏电情况，监测热敏电阻的阻值随温度的变化过程，相比之下LED/LCD数字万用表则难以办到。

数字万用表与模拟指针式万用表的最大区别是该类型万用表不依赖微安表头进行测量，而是通过采样被测量值，再通过A/D模数转换，直接在液晶或数码管上显示测量数值。与模拟万用表相比，数字万用表由于采用了全数字化处理方法以及LED/LCD的显示方式，因而该类型的万用表具有测量精度高、过载能力强、抗干扰性能好、便于携带、显示清晰、读数无视差等多个优点。但是该类型万用表放弃了指针显示方式，在测量变化较快的过程物理量时，采样数据不断变动，不易获得准确的读数。因此，大多数电气工程师仍需要根据测量环境及测量对象选择不同的万用表，而这种转换测量工具的工作方式给工程人员带来了诸多不便。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种观测简单、携带方便、功能多样化、易于使用的指针式数字万用表，该万用表技术方案如下：

本实用新型融合了数字化处理与指针指示方式的优点，在观察习惯上仍沿用指针刻度盘式指示方式，但传动机构摒弃微安表头，而是由单片机控制驱动一个微型步进电机，利用其转动轴带动指针，将测量的物理量信号经A/D转换后，直接转换成指针的角位移量，以实现万用表的指针指示。本实用新型所采用的微型步进电机是一种高精度的迷你型数字化运动器件，它可以将数字脉冲信号转化为角位移量，其转动角的大小与信号脉冲数成正比，通过电机驱动芯片使步进电机转轴的转动精度达到1/12°，可模拟出传统模拟表指针的平滑无抖动偏转，且无累积误差，显然这是万用表的一款新型表型。该表型充分兼容了数字化的处理特征与模拟指针式万用表的优点，克服了模拟指针表的不足。其主要发明内容如下：

1、所述指针式数字万用表包含一个迷你型仪表用微型步进电机(16)，微型步进电机(16)直径30毫米，厚度10毫米，具有一个输出转动轴。

2、所述指针式数字万用表的指针(15)安装在步进电机转动轴上，由步进电机转动轴带动转动。

3、所述指针式数字万用表包含的步进电机(16)安装在万用表的PCB电路板(19)上，由一个步距角为四倍细分的驱动芯片IC(23)控制，驱动芯片(23)通过接收单片机(21)所发送的脉冲信号控制步进电机(16)转动。

4、所述指针式数字万用表，其外形分为表盘部分(43)和控制操作部分(42)两个部分：表盘部分(43)较宽，适合观察，位于万用表的上半部分；控制操作部分(42)较窄，便于手持操作，位于万用表的下半部分。

5、所述指针式数字万用表，其刻度盘上所有的刻度间距都是均匀的。

本实用新型所提出的技术方案与传统的万用表相比，具有如下优点：

第一，本实用新型应用了仪表用微型步进电机，通过步进电机转轴驱动指针指示测量值，从而使得指针指示方式演变为一种全数字的处理方法，仪表既没有磁电式直流电流表的游丝，也无需阻尼机构，提高了万用表的可靠性与耐用性。

第二，步进电机在单片机(21)与驱动芯片IC(23)的驱动下电机轴的转动速度为0°～600°/秒可控，单片机可在较宽的范围内通过改变脉冲频率来调速，实现电机的快速启动或正反转，因此，万用表指针指示几乎可达到与被测物理量同步显现。

第三，本实用新型的外形设计更符合人体尺度与人体动作域，表盘部分(43)宽大，能突出的显示测量值，操作部分(42)小巧，方便手持与携带，易于操作，万用表的上下两部分通过自然的曲线连成一体，使万用表的外形更加美观大方。

第四，本实用新型万用表刻度盘上所有的刻度间距都是均匀的，而模拟指针万用表的一些档位刻度是非均匀的，与非均匀刻度相比，均匀刻度有利于提高仪表读数的准确性，另外，本实用新型内置单片机对各测量档位的输入信号进行了数字滤波处理，大大提高了仪表的抗干扰能力和测量的准确性。

附图说明

图1是指针式数字万用表的外观图。

图2是指针式数字万用表内部结构的爆炸图。

图3是指针式数字万用表PCB电路板的正视图。

图4是指针式数字万用表PCB电路板的背视图。

图5是指针式数字万用表的正视图。

图6是指针式数字万用表的内部电路框图。

具体实施方式

下面结合附图说明本实用新型的具体实施方式。

图1是本实用新型的外形结构图。本实用新型万用表分为上表壳(1)和下表壳(2)，下表壳上有可拆卸的电池盒盖(20)。在外形上又可分为两个部分，上半部分为表盘(43)，下半部分为控制操作面板(42)。表盘(43)部分较宽，由透明有机玻璃面盖(3)罩住，以保护刻度盘和指针。控制操作面板(42)部分较窄，便于单手持握。操作面板上包含转换量程的档位开关(9)、电源(POWER)开关按键(4)、背光灯(B/L)开启和关闭按键(5)、温度测量按键(7)、数据保持(HOLD)按键(8)、三极管β值测试插座(6)、20A表笔插孔(10)、mA表笔插孔(11)、公共端表笔插孔(12)、电阻电压表笔插孔(13)多个部分。在万用表表壳的左侧，有一个三线的数字温度传感器插座(14)，用于连接外部单总线数字温度传感器DS18B20。

图2是本实用新型的内部爆炸图。本实用新型万用表由上表壳(1)、下表壳(2)、透明面盖(3)、刻度字板(17)、分光板(18)、PCB电路板(19)、步进电机(16)、指针(15)、档位量程开关(9)、电源(POWER)按键(4)、背光(B/L)开启/关闭按键(5)、温度测量按键(7)、数据保持(HOLD)按键(8)、三极管β值测试插座(6)、20A表笔插孔(10)、mA表笔插孔(11)、公共端表笔插孔(12)、电阻电压档表笔插孔(13)、温度传感器插座(14)、电池盖(20)等部份组成。在内部结构中，刻度字板(17)位于透明面盖(3)下方，字板上标有所有可测物理量的刻度，它是万用表的刻度盘。刻度字板下有一块分光板(18)，分光板可使背光灯发出的光线均匀的透过刻度字板(17)，使万用表刻度和指针获得均匀的夜视效果。分光板(18)的下方是万用表的PCB电路板(19)，该电路板是万用表的电路主体，背光LED灯焊接在PCB上。单片机(21)、步进电机(16)、驱动芯片(23)、档位量程开关(9)、操作按键(4)(5)(7)(8)、表笔插孔(10)(11)(12)(13)、温度传感器插座(14)等多个功能部件均安装在PCB电路板(19)上。步进电机(16)安装在PCB板背面表盘正中的位置，其输出转动轴穿过电路板上的开孔从PCB电路板(19)正面穿出，指针(15)固定在步进电机转动轴上，由步进电机(16)的转动轴带动偏转。功能量程开关(9)位于控制面板的中央，由底座和拨盘两部分组成，拨盘位于底座之上，可360°随意旋转，用以选择分档功能与量程。在分档量程拨盘开关(9)的上方是电源按键(4)、背光按键(5)、PNP与NPN三极管β测试插座(6)、温度测量按键(7)、数据保持(HOLD)按键(8)、在开关的下方是20A表笔插孔(10)、mA表笔插孔(11)、COM公共端表笔插孔(12)、电阻电压档表笔插孔(13)。

图5是本实用新型万用表的正视图，包括表盘刻度分布、各测量档位以及各个操作按键、测试表笔插孔的名称及功能。在刻度盘左上角的圆形图案(24)是蜂鸣发声孔，用于报警或表笔短接的声音提示；在刻度盘右上角的圆形图案(25)是反接和过量程指示灯，闪烁时用于提示表笔反接或其它过量程操作。表盘刻度位于表盘(43)部分的正中间，以指针轴为中心呈扇形分布。从表盘最外圈往里数，第一圈(26)的外圈是电阻档刻度、第一圈(26)的内圈是直流电压档与直流电流档共享的刻度盘；第二圈(27)的外圈是交流电压刻度，第二圈(27)的内圈是交流电流档刻度；第三圈(28)是电容刻度盘；第四圈(29)是频率刻度盘；第五圈(30)是温度测量刻度盘；第六圈(31)是三极管β系数刻度盘。与模拟万用表的非均匀刻度表盘相比，本实用新型刻度盘上的所有刻度都是均匀的，刻度之间的间距也是均匀的。

在表盘下方是四个工作按键以及测量三极管的插座(6)，按键从左到右依次为电源按键(4)、背光灯开启/关闭按键(5)、温度按键(7)以及保持按键(8)。背光按键(5)是用于控制万用表背光LED灯的开关，温度按键(7)是测量温度的开关，保持按键(8)可使指针停留在原测量值位置以保留读数。在按键的下方是档位量程选择开关(9)，开关的周围标注有功能档位与量程选项，其中电阻档(32)、三极管β系数测量档hFE(33)、直流电压档(34)、交流电压档(35)、电容量测量档(36)、交流电流档(37)、直流电流档(38)、频率测量档(39)、蜂鸣档(40)。在万用表的最下方是表笔插孔，包括20A表笔插孔(10)、mA表笔插孔(11)、COM公共端表笔插孔(12)、电阻电压档表笔插孔(13)。

图6是本实用新型万用表的内部电路框图，该图显示了万用表各部分电路的相互关联。控制操作面板中的按键、分档量程开关作为单片机(21)的输入信号，分档采样单元(22)与温度传感器是万用表的数据采集部分，单片机(21)根据分档采样单元(22)分析来自红黑表笔采集的数据，先进行A/D转换、数字滤波处理、工程量变换、再转换成指针角位移所需要的数字脉冲信号，单片机(21)通过一片电机步距角四倍细分的驱动芯片(23)，推动步进电机输出转动轴带动指针(15)以1/12°微步距转动，从而模拟出类似电磁式仪表指针移动的平滑性，并显示测试结果。当出现测量体短路或表笔短路时，单片机(21)将鸣响蜂鸣器(26)；测量直流电压当表笔出现反接时，单片机(21)将点亮反接指示灯(25)；当测量过量程时，亦点亮指示灯(25)。万用表左侧装有连接外部数字温度传感器DS18B20的三线插座(14)，该插座直接连接至万用表PCB电路板(19)上，DS18B20温度传感器通过三线插座(14)与PCB电路板(19)直接连接到单片机(21)上，按下温度测量按键(7)，可指示当前测量温度。

Claims (5)

1、一种指针式数字万用表，其特征在于万用表包含一个迷你型仪表用微型步进电机(16)，微型步进电机(16)直径30毫米，厚度10毫米，具有一个输出转动轴。

2、根据权利要求1所述的指针式数字万用表，其特征在于万用表的指针(15)安装在步进电机转动轴上，由步进电机转动轴带动转动。

3、根据权利要求1所述的指针式数字万用表，其特征在于驱动指针的步进电机(16)安装在万用表的PCB电路板(19)上，由一个步距角为四倍细分的驱动芯片IC(23)控制，驱动芯片(23)通过接收单片机(21)所发送的脉冲信号控制步进电机(16)转动。

4、根据权利要求1所述的指针式数字万用表，其特征在于万用表从外形上分为表盘部分(43)和控制操作部分(42)两个部分：表盘部分(43)较宽，适合观察，位于万用表的上半部分；控制操作部分(42)较窄，便于手持操作，位于万用表的下半部分。

5、根据权利要求4所述的指针式数字万用表，其特征在于万用表刻度盘上所有的刻度间距都是均匀的。

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